夜空有多黑?新視野號觀測下的宇宙

2020-11-23 騰訊網

2015年7月，NASA發射的新視野號成為歷史上第一個近距離對冥王星進行探測的探測器。接著，在2018年12月31日，該探測器首次邂逅了一個名為Arrokoth（編號為2014 MU69）的柯伊伯帶天體。同時新視野號在外太陽系的獨特位置能幫助天文學家進行罕見而有益的科學研究。

這包括對距離太陽系最近的兩個恆星比鄰星和沃夫359進行視差測算。另外，由美國國家光學天文臺(NOAO)和美國西南研究院(SwRI)帶領的天文學家團隊運用探測器的遠程勘測成像儀獲取的檔案數據對宇宙光學背景進行了測量。這項由美國西南研究院的Tod R. Lauer主導的研究成果近期在《天體物理學》雜誌上發表。

Alan Stern(新視野號任務的首席研究員)和分別來自美國西南研究院、美國國家航空航天局、約翰霍普金斯大學應用物理實驗室、空間望遠鏡研究所、月球與行星研究所、外星智能搜尋研究所以及多家高校的研究者們均參與了此項研究。

僅在我們的星系中就可能有數萬億的流浪行星，它們甚至可能被驅逐到星際空間。簡而言之，宇宙光學背景是來自銀河外所有的光在整個可觀測的宇宙中擴散傳播。從這個意義上來說，相當於宇宙微波背景下的可見光模擬。同時，它也是天文學家使用的重要基準。通過測量這種光，天文學家可以識別恆星的位置，星系的大小和密度，還有驗證有關宇宙結構及其成因的理論。

很多原因表明精確地測量宇宙光學背景很重要。這一背景對恆星成因的來歷、星團、黑洞、星系團以及宇宙的大尺度結構不可或缺。因此，準確地知道夜空有多黑可以深刻理解宇宙的成因及演變。

此外，COB（dCOB）是一種與目前已知天體無關的光子來源。天文學家們正試圖確定其中是否存在漫反射成分。這種成分的存在將使天文學家能夠測試宇宙背景光中的物質來自宇宙低密度區域的可能性，或在宇宙形成當前狀態前形成的物質。

dCOB同時也是一個可以反映出更多奇異過程所產生的光子，就比如它可以反應暗物質粒子的消失或衰變。因此它對於對正在進行的"不可見 "質量的搜索有一定的幫助。但遺憾的是，因為地基望遠鏡會受到大氣畸變的影響，空基望遠鏡需要處理黃道光的幹擾，這類研究的進行出現了許多的挑戰。

所以，隨著時間的推移，光學背景下推測出的亮度會出現嚴重的差異。但這對於在太陽系外的太空飛行器來說，並不存在這類幹擾問題。因此，這就是天文學家為什麼一直依賴先前先鋒者10號/11號和旅行者1號/2號越過海王星的任務來進行COB測量。

與此同時，哈勃空間望遠鏡也對COB進行了測量，但與新視野號的結果相比，能夠證明的測量結果十分有限。Lauer（Hubble Wide Field和Planetary Camera team的團隊成員）通過電子郵件告訴《今日宇宙》："NH可以清晰靈活的地測量從遙遠宇宙發出的總光通量。哈勃望遠鏡在匯總所有遠距離星系方面的能力是超強的，但對於那些不屬於星系的物體就不那麼擅長了，這些星系構成了一個漫射背景，它會與被近地環境中的塵埃反射的散射陽光纏在一起。「

值得關注的是，這並不是天文學家第一次使用LORRI數據來測量COB。2017年，NASA領導團隊檢查了2007年至2010年間四個不同且獨立的天域的LORRI數據。這些數據與NH在木星和天王星的軌道之間的巡航階段相吻合。

這項工作中用到的七個洛裡場的位置。圖片來源：勞爾, 託德, R. （等）

為了進行這項研究，勞爾和他的團隊研究了新視野號長距離探測成像儀在距離太陽42到45個天文單位遠處觀測的七個高銀場的光強。在這個距離上，平均原始光強比哈勃觀測到的要暗十倍。在校正了其他幹擾之後，該團隊利用蒙特卡洛模擬對潛在光源進行建模。

由此，他們能夠辨別出未知來源的彌散分量的存在，這可能是未被發現的暗星系所致。正如勞爾和他的同事們得出的結論，這表明當前關於暗星系的普查不足，至少有一半視星等30甚至更高的暗星系下落不明。

近年來，這並不是第一次不得不修改星系普查。基於哈勃深空觀測活動，天文學家創建了詳細的宇宙3D地圖，並由此估計出可觀測宇宙中有2000億個星系，直到幾年前，他們仍然是這麼認為的。但根據2016年的修正計算，天文學家現在估計可觀測宇宙中有多達兩萬億個星系，很顯然，他們可能需要再次更新計數了。

無論如何，勞爾和他的同事們的工作證明了像新視野號這樣的任務的實用性以及他們可以進行的太陽系外的研究。

相關知識

哈勃超深視場（HUDF）是天爐座中一小塊區域的圖像，其中包含約10000個星系，最初的版本是由哈勃望遠鏡從2003年9月24日到2004年1月16日累計的數據合成的。它被用來找尋大約130億年前（宇宙大爆炸後400年至8億年）存在的星系。這張圖片是在明亮恆星密度較低的區域拍攝的，這樣可以更好地觀察更暗、更遠的物體。在2009年八月到九月，哈勃望遠鏡使用最新安裝的寬視場相機3（WFC3）的紅外通道在更長的波段（1.0至1.6微米）觀察HUDF，與現有數據結合後，天文學家能夠確認一個可能非常遙遠的星系的新列表。

作者：MATT WILLIAMS

FY：Astronomical volunteer team

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